(57)【要約】【課題】対象物の角速度を低コストでかつ精度良く計測する。【解決手段】角速度計測装置１は、サスペンション２のホイール３上の任意の計測点Ｐの位置ベクトルＱを取得するレーザ変位計４と、位置ベクトルＱを微分して計測点Ｐの並進速度ベクトルＶを求める速度ベクトル演算部５と、サスペンション２の角速度ベクトルωを求める角速度ベクトル演算部６とを備え、演算部６は、レーザ変位計４により取得された位置ベクトルＱと、速度ベクトル演算部５により取得された並進速度ベクトルＶとに基づいて、サスペンション２の角速度ベクトルωを演算する。従って、サスペンション２の角速度を安価に計測でき、サスペンション２の角速度と同時に位置や並進速度を計測する場合、角速度の計測値を位置や並進速度の計測値と同期させる必要が無いため、角速度の計測値と位置や並進速度の計測値との間の同期エラーが無くなる。【選択図】図１
2007198795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の角速度を計測する角速度計測装置であって、
前記対象物における任意の計測点の位置ベクトルを取得する位置ベクトル取得手段と、
前記任意の計測点の並進速度ベクトルを取得する速度ベクトル取得手段と、
前記位置ベクトル取得手段により取得された前記位置ベクトルと前記速度ベクトル取得手段により取得された前記並進速度ベクトルとに基づいて、前記対象物の角速度ベクトルを演算する演算手段と、を備えることを特徴とする角速度計測装置。
【請求項２】
前記位置ベクトル取得手段は、前記対象物における同一直線上に無い少なくとも３つの計測点の位置ベクトルを取得する手段であり、
前記演算手段は、特異値分解法又は最小二乗法により前記角速度ベクトルを演算する手段であることを特徴とする請求項１記載の角速度計測装置。
【請求項３】
前記速度ベクトル取得手段は、前記位置ベクトル取得手段により取得された前記位置ベクトルから前記並進速度ベクトルを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の角速度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両のサスペンション等といった対象物の角速度を計測する角速度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の角速度計測装置として、例えば特許文献１に記載されている半導体振動ジャイロセンサーが知られている。この角速度計測装置は、ダイアフラムと、所定の励振信号がそれぞれ印加される２つの駆動電極と、ダイアフラムとの間の静電容量を検出する２つの角速度検出用電極と、駆動電極及び角速度検出用電極との対向面と反対側の面上に設けられた４つの錘とを具備してなり、駆動電極に所定の励振信号をそれぞれ印加して錘を振動させることで、ダイアフラムと電極の対向方向に沿った軸を中心に回転力が作用すると、角速度検出電極における静電容量変化として角速度を計測するものである。
【特許文献１】特開平１１−２３０７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術のような角速度計測装置は、コストが高いのが現状である。さらに、対象物の角速度と同時に対象物の並進速度を計測する場合、別途に、例えばセンサを用いて計測する必要があるため、センサの計測誤差の違い等により、角速度の計測値と並進速度の計測値との位相特性が異なってしまうおそれがあった。従って、角速度の計測値を並進速度の計測値と精度良く同期させることが困難になり、その結果、対象物の角速度を精度良く計測することができないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、対象物の角速度を低コストでかつ精度良く計測することができる角速度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る角速度計測装置は、対象物の角速度を計測する角速度計測装置であって、対象物における任意の計測点の位置ベクトルを取得する位置ベクトル取得手段と、任意の計測点の並進速度ベクトルを取得する速度ベクトル取得手段と、位置ベクトル取得手段により取得された位置ベクトルと速度ベクトル取得手段により取得された並進速度ベクトルとに基づいて、対象物の角速度ベクトルを演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
このような角速度計測装置によれば、対象物の角速度は、位置ベクトル取得手段により取得された対象物における任意の計測点の位置ベクトルと速度ベクトル取得手段により取得された同計測点の並進速度ベクトルとに基づいて演算されることによって得られる。従って、例えばジャイロセンサー等といった従来の角速度計測装置を用いずに、対象物の角速度を安価に計測することが可能となる。また、対象物の角速度と同時に対象物の位置や並進速度を計測する場合、角速度の計測値を位置や並進速度の計測値と同期させる必要が無いため、角速度の計測値と位置や並進速度の計測値との間の同期エラーも無くなり、対象物の角速度を精度良く計測することができる。
【０００７】
ここで、位置ベクトル取得手段は、対象物における同一直線上に無い少なくとも３つの計測点の位置ベクトルを取得する手段であり、演算手段は、特異値分解法又は最小二乗法により角速度ベクトルを演算する手段であることを特徴とすることが好ましい。このように、対象物の角速度ベクトルは、特異値分解法又はこれと同義である最小二乗法により演算されることによって得られる。従って、対象物における同一直線上に無い少なくとも３つの計測点の位置ベクトル及び並進速度ベクトルを取得することで、対象物の角速度を好適にかつ確実に演算することができる。
【０００８】
また、速度ベクトル取得手段は、位置ベクトル取得手段により取得された位置ベクトルから並進速度ベクトルを求めることが好ましい。この場合には、位置ベクトル取得手段により位置ベクトルを取得すれば、速度ベクトル取得手段として特にセンサを用いなくても、演算処理によって並進速度ベクトルが得られる。従って、対象物の角速度をより安価にかつ簡易に計測することが可能となる。また、対象物の並進速度をセンサで取得する場合と異なり、位置の計測値と並進速度の計測値とを同期させる必要がないため、これらの計測値の間の同期エラーも無くなり、対象物の角速度を一層精度良く計測することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、対象物の角速度を低コストでかつ精度良く計測することができる角速度計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
まず、本発明の一実施形態に係る角速度計測装置１を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の角速度計測装置１は、対象物の角速度を計測するものであり、例えば、車両におけるサスペンションのホイールアライメント等のサスペンション特性を計測するために、サスペンションの角速度を計測する際に用いられるものである。なお、サスペンションとしては、その形式や構造が限定されず、ストラット式やマルチリンク式等の種々のサスペンションが挙げられる。
【００１２】
図１は、本実施形態の角速度計測装置１の概略図である。同図において、角速度計測装置１は、サスペンション（対象物）２の例えばホイール３上における任意の計測点Ｐの位置ベクトルＱを検出・取得するレーザ変位計（位置ベクトル取得手段）４と、レーザ変位計４で取得した計測点Ｐの位置ベクトルを用いてサスペンション２の角速度を求める計測演算ユニット１０と、この計測演算ユニット１０で求めた結果を表示する表示器７とを備えている。そして、計測演算ユニット１０は、各計測点Ｐの並進速度ベクトルＶを求める速度ベクトル演算部（速度ベクトル取得手段）５と、サスペンション２の角速度ベクトルωを求める角速度ベクトル演算部（演算手段）６とを有している。ここで、計測点Ｐは、ホイール３における同一直線上に無い、すなわち同一直線上からずれるような３箇所以上の計測点Ｐ１…ＰＮである（Ｎは３以上の整数）。
【００１３】
レーザ変位計４は、測定光出射部４ａを有している。このレーザ変位計４は、測定光出射部４ａから計測点Ｐに向けて光を照射し、その反射光を受光することにより、計測点Ｐの位置ベクトルＱを非接触で取得する。また、レーザ変位計４で取得した位置ベクトルＱは、速度ベクトル演算部５及び角速度ベクトル演算部６にそれぞれ送られる。
【００１４】
速度ベクトル演算部５は、レーザ変位計４から出力された各計測点Ｐの位置ベクトルＱを微分することにより、各計測点Ｐの並進速度ベクトルＶを取得する。速度ベクトル演算部５で取得した並進速度ベクトルＶは、角速度ベクトル演算部６に送られる。
【００１５】
角速度ベクトル演算部６は、レーザ変位計４により検出された位置ベクトルＱと、速度ベクトル演算部５により求められた並進速度ベクトルＶとに基づいて、サスペンション２の角速度ベクトルωを演算する。
【００１６】
図２は、角速度ベクトル演算部６により角速度ベクトルωを算出するための考え方を示す図である。ここで、説明を簡易かつ明確にするために、対象物であるサスペンション２を簡易的に楕円形状として示している。
【００１７】
図２に示されるように、サスペンション２上には、少なくとも３つの計測点Ｐ１…ＰＮ（Ｎは３以上の整数）が同一直線上に無い位置に設けられている。そして、サスペンション２は、中心点Ｐ０を中心に角速度ベクトルωで回転又は回動運動している。すなわち、中心点Ｐ０は、角速度ベクトルωを有している。また、中心点Ｐ０は、中心点Ｐ０の位置ベクトルＱ０と中心点Ｐ０の並進速度ベクトルＶ０とを有しており、各計測点Ｐ１…ＰＮは、位置ベクトルＱ１…ＱＮと並進速度ベクトルＶ１…ＶＮとをそれぞれ有している。
【００１８】
サスペンション２上の任意の計測点Ｐｉの並進速度ベクトルＶｉは、下記（１）式により表される。
【数１】
2007198795.tif 000003
但し、
Ｖｉ：計測点Ｐｉの並進速度ベクトル、
Ｖ０：中心点Ｐ０の並進速度ベクトル、
ω ：サスペンション２の角速度ベクトル（中心点Ｐ０の角速度ベクトル）、
Ｑｉ：計測点Ｐｉの位置ベクトル、
Ｑ０：中心点Ｐ０の位置ベクトル
【００１９】
上記（１）式において、中心点Ｐ０の位置ベクトルＱ０及び中心点Ｐ０の並進速度ベクトルＶ０は、未知量である。そのため、（１）式からこれらのベクトルＱ０，Ｖ０を消去する必要がある。
【００２０】
そこで、まず（１）式をＮ点について総和してＮで除し、平均位置ベクトルＱａｖｅと平均並進速度ベクトルＶａｖｅとに関する下記（２）式を求め、この（２）式により得たＮ点の平均位置ベクトルＱａｖｅ及びＮ点の平均並進速度ベクトルＶａｖｅを基準にする。このようにＮ点の平均位置ベクトルＱａｖｅ及びＮ点の平均並進速度ベクトルＶａｖｅを基準にする、すなわち、Ｎ点の平均点を基準点とすることで、計測点Ｐの位置ベクトルＱを計測した際の測定誤差が平均化され、測定誤差の影響が抑制される。
【数２】
2007198795.tif 000004
但し、
Ｑａｖｅ：Ｎ点の平均位置ベクトル、
Ｖａｖｅ：Ｎ点の平均並進速度ベクトル
【００２１】
次に、（１）式から（２）式を引く。これにより、未知量である中心点Ｐ０の位置ベクトルＱ０及び並進速度ベクトルＶ０が消去され、平均位置ベクトルＱａｖｅに対する相対位置ベクトルｒ１…ｒＮと、平均並進速度ベクトルＶａｖｅに対する相対並進速度ベクトルｖ１…ｖＮとに関する下記（３）式が得られる。
【数３】
2007198795.tif 000005
但し、
ｒｉ：計測点Ｐｉの平均位置ベクトルＱａｖｅに対する相対位置ベクトル、
ｖｉ：計測点Ｐｉの平均並進速度ベクトルＶａｖｅに対する相対並進速度ベクトル
【００２２】
ここで、（３）式を成分表示した下記（４）式に示されるように、（３）式は特異行列（Singular Matrix）であるため、（３）式によってサスペンション２の角速度ベクトルωは一意に演算することができない。これは、２点の並進速度ベクトルだけでは、この２点を通る直線回りの回転又は回動運動を表現することができないことを意味している。
【数４】
2007198795.tif 000006
但し、
ｒｉｘ：計測点Ｐｉの相対位置ベクトルｒｉのｘ方向成分、
ｒｉｙ：計測点Ｐｉの相対位置ベクトルｒｉのｙ方向成分、
ｒｉｚ：計測点Ｐｉの相対位置ベクトルｒｉのｚ方向成分、
ωｘ  ：サスペンション２の角速度ベクトルωのｘ方向成分、
ωｙ  ：サスペンション２の角速度ベクトルωのｙ方向成分、
ωｚ  ：サスペンション２の角速度ベクトルωのｚ方向成分、
ｖｉｘ：計測点Ｐｉの相対並進速度ベクトルｖｉのｘ方向成分、
ｖｉｙ：計測点Ｐｉの相対並進速度ベクトルｖｉのｙ方向成分、
ｖｉｚ：計測点Ｐｉの相対並進速度ベクトルｖｉのｚ方向成分
【００２３】
そこで、本実施形態の角速度計測装置１では、（４）式を縦に同時に並べて下記（５）式とさせて演算している。これにより、特異値分解法（Singular Value Decomposition）又はこれと同義である最小２乗法で、（５）式を下記（６）式に定式化できる。なお、ここでの特異値分解法とは、一般的には解が存在しない未知数の数より方程式の数の方が多い場合でも、全ての方程式をできるだけ正確に満たす妥協解を求めるために、できるだけという要求を最小２乗法の意味で捉えて方程式における左辺と右辺との差の平方和を最小化する方法をいう。この特異値分解法については、例えば、「ニューメリカルレシピ・イン・シー日本語版、WilliamH.Pressら著、丹慶勝市ら訳、技術評論社（１９９３年．６月）」に記載されている。
【数５】
2007198795.tif 000007
【数６】
2007198795.tif 000008
【００２４】
そして、計測点Ｐが同一直線上に無いことより（６）式の左辺の逆行列が存在するため、（６）式を下記（７）式に変形でき、サスペンション２の角速度ベクトルωが下記（７）式により演算されることになる。
【数７】
2007198795.tif 000009
【００２５】
以上のように、角速度ベクトル演算部６は、特異値分解法という手法により、同一直線上に無い計測点Ｐ１…ＰＮの位置ベクトルＱ１…ＱＮ、及び計測点Ｐ１…ＰＮの並進速度ベクトルＶ１…ＶＮからサスペンション２の角速度ベクトルωを演算する。
【００２６】
このような角速度ベクトル演算部６による演算処理手順の詳細を図３に示す。同図において、まず、レーザ変位計４により検出されたホイール３上の各計測点Ｐの位置ベクトルＱを入力する（Ｓ１）。また、速度ベクトル演算部５により求められた各計測点Ｐの並進速度ベクトルＶを入力する（Ｓ２）。
【００２７】
続いて、各計測点Ｐの位置ベクトルＱ及び並進速度ベクトルＶから、各計測点Ｐの平均位置ベクトルＱａｖｅ及び平均速度ベクトルＶａｖｅを上述した演算方法に従って算出する（Ｓ３）。続いて、位置ベクトルＱ、並進速度ベクトルＶ、平均位置ベクトルＱａｖｅ、及び平均速度ベクトルＶａｖｅから、各計測点Ｐの相対位置ベクトルｒ及び相対並進速度ベクトルｖを上述した演算方法に従って算出する（Ｓ４）。
【００２８】
そして、相対位置ベクトルｒ及び相対並進速度ベクトルｖから、サスペンション２の角速度ベクトルωを上述した演算方法に従って演算する（Ｓ５）。これにより、サスペンション２の角速度が計測されることになる。その後、サスペンション２の角速度の計測値を表示器７に表示させる（Ｓ６）。
【００２９】
以上のように、本実施形態の角速度計測装置１では、レーザ変位計４により計測点Ｐの位置ベクトルＱを検出し、この計測点Ｐの位置ベクトルＱを微分して計測点Ｐの並進速度ベクトルＶを求め、計測点Ｐの位置ベクトル及び並進速度ベクトルＶに基づいて回転又は回動運動するサスペンション２の角速度ベクトルωを演算する。従って、従来の角速度計測装置を用いずとも、サスペンション２の角速度を安価に計測することが可能となる。また、このとき、角速度の計測値を位置や並進速度の計測値と同期させる必要が無いため、角速度の計測値と位置や並進速度の計測値との間の同期エラーも無くなり、サスペンション２の角速度を精度良く計測することができる。
【００３０】
さらに、並進速度ベクトルＶは、レーザ変位計４により取得された位置ベクトルを微分することにより取得されるため、並進速度ベクトルＶを検出するセンサを用いなくても、演算処理によって並進速度ベクトルＶが得られる。従って、サスペンション２の角速度をより安価にかつ簡易に計測することが可能となる。また、このとき、角速度の計測値を位置や並進速度の計測値と同期させる必要が無いだけでなく、位置の計測値と並進速度の計測値とを同期させる必要もないため、これらの計測値の間の同期エラーも無くなり、サスペンション２の角速度を一層精度良く計測することができる。
【００３１】
以上、本発明に係る角速度計測装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、位置ベクトルＱを微分することにより並進速度ベクトルＶを取得するものであるが、特にこれに限られず、別途に設けられた並進速度ベクトルを計測するセンサを使用しても良い。この場合には、上記の速度ベクトル演算部５が不要となる。
【００３３】
また、上記実施形態では、位置ベクトル取得手段としてレーザ変位計４を用いたが、例えば画像処理計測器や磁気変位センサ等であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る角速度計測装置の一実施形態の概略図である。
【図２】図１に示す角速度ベクトル演算部により角速度ベクトルを算出するための考え方を示す図である。
【図３】図１に示す角速度ベクトル演算部による処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１…角速度計測装置、２…サスペンション（対象物）、４…レーザ変位計（位置ベクトル取得手段）、５…速度ベクトル演算部（速度ベクトル取得手段）、６…角速度ベクトル演算部（演算手段）、Ｐ…計測点、Ｑ…位置ベクトル、Ｖ…並進速度ベクトル、ω…角速度ベクトル。
【図１】
2007198795.tif 000010
【図２】
2007198795.tif 000011
【図３】
2007198795.tif 000012